در دهه ی گذشته با توسعه ی سریع دستگاه‌های بی‌سیم و برنامه‌های کاربردی، شاهد تقاضاهای رو به رشد، برای اختصاص طیف فرکانس بودیم. اما سیاست­ های سنتی تخصیص طیف بصورت ایستا، تبدیل به تنگنایی برای استفاده کار آمد از طیف فرکانسی گردیدند. منابع طیف فرکانس محدود هستند و استفاده ناکارآمد از آن‌ها باعث می‌شود که نهادهای نظارتی به جستجوی فناوری‌ های ارتباطی جدیدی روي آورند. برای حل این مشکل و استفاده مفيدتر از طيف، مفهومی بنام شبکه‌‌ی Cognitive Radio مطرح شد، تا بتوان از فضاهای خالی طيف مجوزدار استفاده كرد. شبکه Cognitive Radio یک تکنولوژی انقلابی می­ باشد که پیشرفت قابل توجهی را در زمینه استفاده مؤثر از طیف فرکانسی به ارمغان می­‌آورد. این تکنولوژی به گونه ­ای طراحی شده است که قادر می‌باشد خودش را به صورت پویا، طوری تطبیق دهد که از طیف رادیویی موجود، بهره ­برداری لازم به عمل آید.

بیشتر بخوانید: آشنایی با اصطلاحات شبکه جهانی وب؛ ping تا Packet loss

معرفی شبکه Cognitive Radio

شبکه Cognitive Radio یک تکنولوژی مخابرات بی ­سیم هوشمند است که از محیط بیرونی آگاه است و با توجه به آن، پارامترهای عملکردش از قبیل توان ارسالی، فرکانس حامل و روش مدولاسیون را تنظیم می‌کند تا بتواند هر زمان و در هر مکان که احتیاج شد، مخابره­ ای قابل اطمینان داشته باشد و نیز استفاده ­ی بهینه­ ای از طیف در دسترس صورت گیرد. در این شبکه­ ها دو دسته کاربر وجود دارد: کاربر اولیه یا کاربر مجوزدار که این کاربران می­‌توانند در یک باند طیف فرکانس خاص فعالیت کنند و دسته دیگر کاربر ثانویه یا کاربر بدون مجوز که مجوز فعالیت در یک باند خاص را ندارند. هنگامی که کاربر ثانویه با کاربر اولیه همزیستی دارد، اولویت استفاده از طیف با کاربر اولیه است و زمانی که کاربر اولیه­ ای حضور نداشته باشد، امکان فعالیت کاربر ثانویه فراهم می‌گردد.

شبکه Cognitive Radio استفاده از طیف­ های بدون استفاده موقتی را که به حفره­ های طیفی یا فضای سفید معروف می ­باشند، فراهم می‌­سازد. اگر این باند، توسط کاربر معتبر به صورت مازاد مورد استفاده قرار بگیرد، شبکه Cognitive Radio جریان را به حفره ­ی طیفی دیگری انتقال خواهد داد. پس با سیستم Cognitive Radio، فرستنده به طور هوشمندانه ­ای می­ تواند بفهمد که کدام باندهای فرکانسی در حال استفاده و کدام باندها خالی هستند و می‌تواند از آن‌ها برای مخابره­ ی داده‌ی خود استفاده کند. این تکنولوژی باعث استفاده­ ی بهینه از منابع طیفی در دسترس و کاهش تداخل روی بقیه­ ی کاربران می‌‌شود. شبکه‌ های رادیوشناختی کلید رسیدن به استفاده بهتر از پهنای باند رادیویی و بهبود بخشیدن به نرم‌افزارهای رادیویی هستند.

تاریخچه‌ی ظهور شبکه Cognitive Radio

بر خلاف شبکه های سیمی که در آن‌­ها انتقال اطلاعات بین گره ­ها از طریق سیم ­های مجزا صورت می­‌گیرد، در شبکه ­های بی­ سیم این انتقال از طریق یک رسانه مشترک انجام می­‌شود که برای این نوع انتقال داده، امکان ایجاد تداخل بین داده ­های ارسالی از گره ­های مختلف نیز وجود دارد. در واقع در مخابرات بی­ سیم، در یک محدوده، تنها یک رسانه فیزیکی وجود دارد و در نتیجه احتمال تداخل بیشتر است. تکنولوژی استفاده از شبکه­ های بی­ سیم در دهه­ ی اخیر به یکی از تکنولوژی­ های مطرح تبدیل شده است. در دهه ی گذشته، با توسعه سریع دستگاه­ های بی ­سیم و برنامه­ های کاربردی، شاهد تقاضاهای رو به رشد برای اختصاص طیف فرکانس بودیم، اما سیاست­ های سنتی تخصیص طیف به صورت استاتیک، تبدیل به تنگنایی برای استفاده کارآمد از طیف فرکانسی گردیدند و عملاً بخش بزرگی از طیف­ های فرکانس مجوزدار کمتر مورد استفاده قرار می‌گرفت. اختصاص طیف در شبکه ­های بی­ سیم فعلی به صورت استاتیک می‌باشد که بر طبق گزارشات صادره توسط کمیسیون مرکزی مخابرات آمریکا، بهره­ گیری از طیف با توجه به موقعیت ­ها و زمان ­های مختلف، از حدود 15 درصد تا حداکثر 85 درصد می­ باشد. در سال­ های اخیر به خاطر افزایش تقاضا برای دسترسی به طیف، این نحوه تخصیص فرکانس با کمبود طیف آزاد در باندهای خاصی مواجه شده است. به علاوه، مقدار زیادی از طیف اختصاص داده شده به صورت بهینه استفاده نمی­ شود، یعنی کاربران مجاز در آن باند، در تمامی زمان­ ها از کل پهنای باند اختصاص داده شده بهره نمی‌­برند. بخش عظيمي از طيف اختصاص داده شده توسط کاربر اولیه مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. يعنی با توجه به مقتضيات زمانی و مکانی کمتر از شش درصد طيف فرکانسی توسط کاربر اولیه اشتغال می‌شود.

بیشتر بخوانید: رایانش ابری و نقش آن در زندگی امروز

از سوی ديگر ممکن است در بسياری از اوقات‌، طيف اختصاص داده شده مورد استفاده قرار نگيرد؛ چون تفاوت ميان ميزان اختصاص طيف فرکانسی و استفاده از طيف فرکانسی وجود دارد. محدودیت در طیف قابل استفاده و همچنین بازده کم روش ­های تخصیص طیف قدیمی، استفاده از روشی نوین در مخابرات با به کارگیری تکنیک­ هایی جدید در تخصیص طیف را ایجاب می­‌کند. استفاده ناکارآمد از آن­‌ها سبب گردید نهادهای نظارتی به بررسی سیاست­ های خود بپردازند و شروع به جستجوی فناوری­ های ارتباطی نوآورانه جدید نمایند که بتواند طیف های فرکانس بی سیم را به صورت هوشمندانه­ تر و قابل انعطاف­ تر میان کاربرانی که واقعاً به آن احتیاج دارند تخصیص دهد. روش ­های جدید می­‌بایست به صورت غیرمتمرکز و پویا بوده و مشتمل بر منابع پخش شده در محیط با قابلیت ­های محاسباتی بالا باشند. بعبارتی دیگر، تکنيک دسترسي به طيف فرکانس به صورت پويا استفاده گردد.

نحوه ی عملکرد شبکه Cognitive Radio

با توجه به شکل، شبکه Cognitive Radio از طريق توابع عملياتی سنجش و تحليل طيف فرکانس‌، می‌تواند فضای سفيد طيف را تشخيص دهد.

شبکه Cognitive radio پس از شناسايی فضای سفيد طيف فرکانس‌، با استفاده از توابع مديريت طيف، قادر خواهند بود براي کاربران ثانويه با توجه به ويژگی های کانال متغير در زمان، بهترين باند فرکانس و همچنین باندهای متعدد چندگانه را انتخاب نمايد.

بیشتر بخوانید: فناوری اینترنت 5G، جدیدترین تکنولوژی شبکه ای جهان

در روش دسترسی طيف فرکانس به صورت پويا، ممکن است يک کاربر ثانويه منابع طيف فرکانسی را با کاربر اوليه و يا با ديگر کاربران ثانويه و يا با هردو به اشتراک بگذارد. از اين رو، يک تابع تخصيص و به اشتراک گذاري طيف فرکانس، براي رسيدن به بهره وری طيف فرکانسی خوب بسيار حائز اهميت است. از آنجا که کاربران اوليه صاحب قانوني طيف فرکانسی هستند، هنگامی که کاربران ثانويه در يک باند مجوز‌دار با کاربران اوليه همكاری می‌کند، سطح تداخل می بايست توسط يک ميزان آستانه معين محدود گردد. هنگامی که چندين کاربر ثانويه يک باند فرکانس را به اشتراک می گذارند و از آن در غياب کاربر اوليه استفاده می‌نمايند، دسترسی آن‌ها بايد در راستای کاهش برخورد و تداخل با هم هماهنگ گردد.